Сульфид цинка - удивительное вещество, обладающее комплексом уникальных свойств. Этот материал широко используется в современных технологиях благодаря своим оптическим, электрическим и люминесцентным характеристикам. Давайте разберемся, что собой представляет сульфид цинка, как его можно получить и в каких областях он находит применение.
Что такое сульфид цинка
Сульфид цинка – это неорганическое соединение цинка и серы с химической формулой ZnS. Он представляет собой белый порошок без запаха с плотностью 3,9-4,1 г/см3. Температура плавления сульфида цинка составляет 1850°C при давлении 150 атмосфер.
При комнатной температуре это твердое вещество, которое при нагревании на воздухе окисляется с образованием оксида цинка ZnO и диоксида серы SO2. Сульфид цинка нерастворим в воде, однако растворяется в кислотах с выделением сероводорода H2S.
Сульфид цинка обладает полупроводниковыми свойствами и способностью к люминесценции, что определяет основные области его применения.
Природные источники сульфида цинка
В природе соединения цинка и серы встречаются в виде минералов сфалерита (цинковой обманки) и вюрцита. Эти минералы являются важным источником получения цинка и отличаются только типом кристаллической решетки.
- Сфалерит ZnS – наиболее распространенная и важная цинковая руда
- Вюрцит ZnS – более редкий минерал, отличается от сфалерита кристаллической структурой
Добыча и переработка этих природных соединений цинка позволяет получать технический сульфид цинка.
Получение сульфида цинка
В лабораторных и промышленных условиях существует несколько способов получения сульфида цинка:
- Осаждение из водных растворов солей цинка с помощью сероводорода
цинка сульфидОбжиг смеси сульфидных концентратов, содержащих соединения цинка- Непосредственное взаимодействие порошков цинка и серы при высоких температурах или под действием ударной волны
- Химическое осаждение из газовой фазы на подложки (метод CVD)
Полученный технический продукт представляет собой порошок от белого до желтоватого цвета. Для некоторых применений требуется очистка и синтез монокристаллов сульфида цинка.
| Формула | ZnS |
| Цвет | Белый |
| Плотность | 3,9-4,1 г/см3 |
Синтетический сульфид цинка, полученный в лаборатории или промышленности, по своим свойствам аналогичен природным соединениям.
Применение сульфида цинка в люминофорах
Уникальная люминесцентная способность сульфида цинка, легированного ионами серебра, меди или других металлов, широко используется в производстве люминофоров.
Люминофоры на основе сульфида цинка применяются:
- В экранах цветных кинескопов и телевизоров
- В рентгеновских экранах и усилителях изображения
- Для создания светодиодов и других источников света
За счет испускания видимого света при облучении люминофоры позволяют преобразовывать невидимые излучения в видимые изображения.
Получение монокристаллов сульфида цинка
Для применения в лазерах, сцинтилляторах и детекторах требуются монокристаллы сульфида цинка с контролируемыми примесями и дефектами.
Рост монокристаллов ZnS производится из расплава с использованием метода Бриджмена. Расплавленный при температуре 1700°C сульфид цинка медленно вытягивается из нагретой зоны, в результате чего происходит кристаллизация.
Для улучшения оптических свойств выращенные кристаллы ZnS подвергают специальной обработке, например, в растворе сульфид цинка соляная кислота или других соляная кислотах.
Применение сульфида цинка в лазерах
Благодаря ширине запрещенной зоны 3,54-3,91 эВ сульфид цинка является перспективным материалом для создания полупроводниковых лазеров, работающих в синей и ультрафиолетовой области спектра.
Преимуществами лазеров на основе сульфида цинка являются:
- Компактные размеры
- Высокая эффективность
- Широкий диапазон рабочих температур
Активная среда для таких лазеров изготавливается из монокристаллов сульфида цинка, легированных азотом или другими примесями.
Применение сульфида цинка в сцинтилляторах
Сцинтилляторы на основе сульфида цинка используются для регистрации ионизирующих излучений в физических экспериментах, а также в медицинской и промышленной технике.
Преимуществами ZnS-сцинтилляторов являются:
- Высокая чувствительность
- Быстрый отклик
- Работа при комнатной температуре
Перспективно применение сцинтилляторов на основе сульфида цинка в высокоэнергетической физике для регистрации частиц.
Токсичность сульфида цинка
Несмотря на широкое применение, сульфид цинка относится к умеренно токсичным веществам. При проглатывании или вдыхании пыли возможно отравление.
Меры предосторожности при работе с сульфидом цинка:
- Использование СИЗ
- Герметизация оборудования
- Вытяжная вентиляция
Применение сульфида цинка в электронике
Помимо оптоэлектроники, сульфид цинка находит применение и в других областях электроники благодаря своим полупроводниковым свойствам.
Сплавы на основе сульфида цинка используются для изготовления термоэлектрических преобразователей - термопар и термоэлектрических генераторов. Они обеспечивают высокую термоэлектрическую эффективность.
Сульфид цинка в производстве резины и пластмасс
Мелкодисперсный порошок сульфида цинка широко используется в качестве наполнителя и пигмента при производстве резин и пластмасс.
Добавки ZnS позволяют достичь:
- Большей прочности
- Улучшенных диэлектрических свойств
- Повышенной стойкости к истиранию
Применение в медицине
Наночастицы сульфида цинка исследуются как потенциальный материал для диагностики и терапии онкологических и сердечно-сосудистых заболеваний.
Перспективность применения обусловлена:
- Нетоксичностью
- Контролируемыми размерами частиц
- Возможностью функционализации поверхности
Переработка отходов, содержащих сульфид цинка
Отработанные люминофоры, содержащие соединения цинка и серы, относятся к опасным отходам 1-2 класса опасности.
Существуют химические и биологические методы переработки отходов с получением ценных компонентов:
- Цинк
- Сера
- Редкоземельные металлы
